WO2004057291A1 - Differential pressure sensor - Google Patents

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WO2004057291A1
WO2004057291A1 PCT/EP2003/013891 EP0313891W WO2004057291A1 WO 2004057291 A1 WO2004057291 A1 WO 2004057291A1 EP 0313891 W EP0313891 W EP 0313891W WO 2004057291 A1 WO2004057291 A1 WO 2004057291A1
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WO
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membrane
differential pressure
facing
pressure sensor
base body
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Application number
PCT/EP2003/013891
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dietfried Burczyk
Friedrich Schwabe
Thomas Velten
Thomas Gessner
Karla Hiller
Norbert Zichner
Steffen Kurth
Maik Wiemer
Original Assignee
Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance

Definitions

  • the invention relates to a capacitive two-chamber differential pressure sensor and a method for its production.
  • differential pressure measurements carried out.
  • a difference between a first and a second pressure applied to a differential pressure measuring device is detected.
  • the centerpiece of such a differential pressure measuring device is a differential pressure sensor which is usually built into a housing and to which the pressures are supplied and which serves to convert an acting differential pressure into an electrical quantity corresponding to it.
  • DE-C 38 27 138 describes a differential pressure sensor with - a pressure-sensitive, electrically conductive membrane arranged between a first and a second base body, - on the first side of which is in operation by a
  • first and the second base body each have a membrane-facing and a membrane-facing electrically conductive plane
  • each electrode forms a capacitor together with the membrane
  • the membrane and the levels of the base body are made of silicon and the insulation layer is made of cordierite.
  • the membrane is connected to the respective outer edges of the base body via electrically insulating glass connecting members arranged on its outer edges, and the bores are covered with a conductive film, via which the electrodes are connected in an electrically conductive manner to the associated plane of the respective base body facing away from the membrane.
  • the glass connecting links form spacers between the membrane and the base bodies. They are not made of silicon and therefore have a different coefficient of thermal expansion than silicon. Glass also has different elastic properties than silicon. The use of these spacers can therefore lead to temperature-dependent measurement errors as well as hysteresis or creep when the ambient temperature changes. Glass and silicon have different moduli of elasticity. This affects the sensitivity of the differential pressure sensor and causes a measurement error that is dependent on a static pressure acting on the differential pressure sensor.
  • the capacitances between the membrane and the electrodes lying opposite it are tapped at the membrane and at the plane of the base body facing away from the membrane, which is connected to the electrode via the conductive film.
  • Stray capacities exist e.g. between the membrane-facing planes of the base body and its surroundings.
  • the environment will usually be a housing in which the pressure sensor is enclosed.
  • Pressure measuring cell and can therefore change, for example due to temperature-related different expansions of individual components. As a result Changing measurement errors cannot be masked out by calibration of the pressure sensor and appropriate signal processing.
  • the invention consists in a differential pressure sensor with - a pressure-sensitive, electrically conductive membrane arranged between a first and a second base body,
  • first and the second base body each have a membrane-facing and a membrane-facing electrically conductive plane, which are separated from one another by an insulation layer,
  • the inner part of the respective membrane-facing plane serving as an electrode and spaced apart from the membrane is electrically connected to an outer part of the membrane-facing plane and thus connected membrane isolated, - in which the electrodes are electrically isolated from the membrane-facing planes of the associated base body, and
  • each electrode forms a capacitor together with the membrane, the capacitance of which is a measure of an acting differential pressure.
  • the membrane, the adjacent outer parts of the membrane-facing layers and the membrane-facing layers are electrically at the same potential.
  • each electrode is contacted in isolation from the plane facing away from the membrane and the insulation layer of the respective base body with respect to the plane facing away from the membrane.
  • the trenches directly adjoin a clamping point of the membrane.
  • an electrically conductive connection runs between the membrane, the plane facing away from the membrane and the plane facing towards the membrane on an outer lateral surface of the differential pressure sensor.
  • the trench leading to the insulation layer in the plane of the first base body facing the membrane has a larger outer diameter than the trench leading to the insulation layer in the plane of the second base body facing the membrane.
  • At least one inner trench leading to the insulation layer is provided in the membrane-facing levels, which electrically isolates an inner part of the respective level serving as an electrode from the membrane and an outer trench is provided which adjoins a clamping point of the membrane.
  • the membrane-facing and the membrane-facing levels of the base body are made of silicon and the insulation layer is made of silicon dioxide.
  • the membrane-facing levels form a membrane bed which has at least one support ring on which the membrane comes to rest when it is acted on by a differential pressure which exceeds a predetermined measuring range.
  • the support rings are at a distance from a rest position of the membrane, which correspond to a bending line of the membrane.
  • the support rings have slots through which adjacent cavities are connected to one another.
  • the membrane bed has a rough surface.
  • the invention consists in a method for producing a differential pressure sensor according to the invention, in which the base bodies are made of silicone-on-insulator wafers.
  • the membrane and the first and second base bodies are made of silicon and are connected to one another by means of wafer bonds.
  • the trenches are produced by means of etching processes and the membrane bed is produced by means of a dry etching process, in particular using SF 6 .
  • An advantage of a pressure sensor according to the invention is that the membrane and the electrodes are shielded from the outside by the insulation layer and the planes of the base body facing away from the membrane. A coupling of interference signals is practically impossible in the area of the pressure sensor. Stray capacities, e.g. between the levels of the base body of the pressure sensor facing away from the membrane have no influence on the capacitances to be measured. Accordingly, a highly accurate measurement that is stable over a long period of time is possible, which is almost independent of the way in which the pressure sensor is installed.
  • the membrane is directly connected to the body. Additional insulation between the membrane and the base bodies is not required.
  • differential pressure sensors according to the invention. This has a positive effect on the measuring accuracy and on the long-term stability of the measuring accuracy of the invention
  • Differential pressure sensors Esp. Measurement errors dependent on a static pressure acting on the differential pressure sensor are avoided by different elasticity modules.
  • Fig. 1 shows a section through a differential pressure sensor according to the invention
  • FIG. 2 shows a view of an electrode of the differential pressure sensor shown in FIG. 1;
  • Fig. 3 shows a section through an inventive
  • Fig. 4 shows a section through an inventive
  • Differential pressure sensor with an inner and an outer trench.
  • FIG. 1 shows a section through a first exemplary embodiment of a differential pressure sensor according to the invention.
  • the differential pressure sensor has a pressure-sensitive, electrically conductive membrane 1.
  • the membrane 1 is preferably made of a semiconductor, e.g. made of silicon, and is arranged between a first and a second base body 3, 5.
  • the base bodies 3, 5 have a membrane-facing and a membrane-facing, electrically conductive plane 7, 9, which are separated from one another by an insulation layer 11.
  • the levels 7, 9 preferably consist of a semiconductor, for example of silicon, and the insulation layer 11 preferably consists of silicon dioxide.
  • a first pressure p1 supplied through a bore 13 in the first base body 3 acts on a first side of the membrane 1.
  • a second pressure p2 supplied through a bore 13 in the second base body 5 acts on a second side of the membrane 1 opposite the first side.
  • the pressure-sensitive membrane 1 thus experiences a deflection during operation, which is a measure of a difference between the first and the second pressure p1, p2.
  • the membrane-facing levels 7 of the first and the second base body 3 5 at least one annular trench 14 leading to the insulation layer 11 is provided in each case. These are preferably produced in an etching process.
  • the trenches 14 divide the membrane-facing planes 7 into an inner part and an outer part 15.
  • the inner part is spaced apart from the membrane 1 and serves as an electrode 17.
  • the outer part 15 is directly with an outer edge of the side facing each the membrane 1 connected.
  • This connection is preferably made by a bonding process, e.g. made by wafer bonding. For example, silicon-silicon fusion bonding or a eutectic process, e.g. using gold.
  • the trenches 14 isolate the electrodes 17 from the outer parts 15 of the membrane-facing layers 7 and the membrane 1 connected to them.
  • the electrodes 17 are electrically insulated from the layers 9 of the associated base bodies 3, 5 facing away from the membrane by the insulation layers 11.
  • Each electrode 17 forms a capacitor together with the membrane 1.
  • the capacities of these identical capacitors depend on a distance between the membrane 1 and the respective electrode 17.
  • Capacities are detected with a capacitance measuring circuit not shown in FIG. 1 and a further evaluation and / or
  • Processing e.g. filtering, amplification or error compensation, made and a differential pressure-dependent signal generated, which is then available for further processing and / or display.
  • the electrodes 17 are each contacted through a bore 19 which leads through the plane 9 of the base body facing away from the membrane and the insulation layer 11 to the electrode 17.
  • the contact is made in an electrically insulated manner from the planes 9 of the basic bodies 3, 5 facing away from the membrane.
  • an insulation layer 21 is applied to the planes 9 facing away from the membrane, on which a conductor track 23 leads to the respective electrode 17.
  • the membrane 1, the adjacent outer parts 15 of the membrane-facing layers 7 and the membrane-facing layers 9 are preferably electrically at the same potential.
  • this can be done passively by an electrically conductive connection 25 running between the membrane 1 and the membrane-facing and membrane-facing layers 7, 9 on an outer lateral surface of the differential pressure sensor.
  • the membrane 1 is electrically conductively connected to the adjacent outer parts 15 of the membrane-facing levels 7 and the membrane-facing levels 9.
  • this is achieved by an electrically conductive coating applied to an outer lateral surface of the pressure sensor, e.g. Made of aluminum or silicon, which rests on the membrane 1, on the outer parts 15 and the layers 9 facing away from the membrane.
  • Connection 25 is preferably grounded.
  • the components mentioned can be actively kept at the same potential by connecting each component to an electrical circuit which keeps the components all at the same potential.
  • This potential is preferably ground or a reference potential of a circuit connected to the pressure sensor, e.g. a signal processing circuit.
  • the membrane-facing levels 7 of the base body 3, 5 form a membrane bed.
  • the membrane bed has the task of protecting the membrane 1 from destruction or irreversible deformation if it is acted upon by a differential pressure exceeding a predetermined measuring range.
  • the membrane beds preferably have at least one support ring 27 on which the membrane 1 comes to rest when it is acted upon by a differential pressure that exceeds the predetermined measuring range.
  • three support rings 27 are provided on each electrode 17 for this purpose.
  • the support rings 27 are at a distance from a rest position of the membrane 1, which correspond to a bending line of the membrane 1 under pressure. In the event of an overload, the membrane 1 can nestle against the membrane bed and is thereby supported, which protects it from possible damage.
  • the membrane bed preferably has a rough surface. It is thereby achieved that the membrane 1 can easily detach from the membrane bed again after it clings to the membrane bed and can assume its normal position.
  • the membrane bed is preferably made using a dry etching process, e.g. formed by means of reactive ion etching.
  • the differential pressure sensor is installed in a housing (not shown in FIG. 1) and the pressures p1 and p2 are preferably transmitted to the differential pressure sensor via diaphragm seals filled with a liquid.
  • the liquid is as incompressible as possible. It is suitable e.g. a silicone oil.
  • the diaphragm seals are to be connected directly to the bores 13 in the base bodies.
  • the bores 13 and adjacent cavities 29 formed by the membrane 1 and the adjacent base bodies 3, 5 are also to be filled with this liquid, so that a through the liquid
  • the support rings 27 preferably have slots 31 through which the adjacent cavities 29 and the trenches 14 are connected to one another.
  • the slits 31 facilitate bubble-free filling of the cavities 29 and the trenches 14 with the liquid.
  • the trenches 14 directly adjoin a clamping point of the membrane 1.
  • the clamping points are located on the outer edge of the membrane 1, where the membrane 1 with the outer parts 15 of the base body 3, 5 is connected.
  • This positioning of the trenches 14 has the advantage that tensile loads, which would stress the connection between the membrane 1 and the outer parts 15 without trenches 14, shift away from the connection into the interior of the base bodies 3, 5.
  • the basic bodies 3, 5 are much more robust with respect to mechanical loads, especially tensile loads, than the connections. As a result, this leads to improved mechanical stability of the differential pressure sensor.
  • the trenches 14 reduce the occurrence of mechanical
  • the differential pressure sensor shown in Fig. 1 is constructed symmetrically to the membrane 1.
  • the identical outer diameters of the trenches 14 and the outer parts 15 adjoining them determine a circle, both on the first base body 3 and on the side of the membrane 1 facing the second base body 5, along which the membrane 1 is clamped. Due to manufacturing tolerances, the case may arise that the trenches 14 are not arranged exactly opposite one another. Accordingly, it may be that the circles that specify the geometry of the membrane clamping are not completely congruent. The clamping is then determined by the inner circle segment of the two circles. This results in an almost circular clamping.
  • a completely circular membrane clamping offers the advantage that the membrane 1 is one of the under the action of a differential pressure
  • the trench 16 leading to the insulation layer 11 in the Membrane-facing plane 7 of the first base body 3 has a larger outer diameter than the trench 14 leading to the insulation layer 11 in the membrane-facing plane 7 of the second base body 5. This is preferably achieved in that the trench 16 loads the outer part 15 is widened.
  • the outer part 15 of the first base body 3 has a smaller inner diameter than the outer part 15 of the second base body 5. All other dimensions can remain unchanged. Esp. the electrodes 17 are also identical in the embodiment shown in FIG. 3.
  • the outer diameter of the trench 16 is preferably dimensioned such that the circle of the membrane clamping determined by the outer diameter of the trench 14 also lies within the circle determined by the outer diameter of the trench 16 when manufacturing tolerances occur.
  • the smaller circle predetermined by the outer diameter of the trench 14 thus determines the geometry of the membrane clamping.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a differential pressure sensor according to the invention. Because of the great agreement with the exemplary embodiment shown in FIG. 1, only the existing differences are explained further below.
  • the base body 3, 5 is provided in the membrane-facing planes 7, at least one inner trench 33 leading to the insulation layer 11.
  • the inner trenches 33 electrically isolate an inner part of the respective membrane-facing plane 7 serving as the electrode 35 from the membrane 1.
  • the electrodes 35 like the electrodes 17 in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, are opposite the membrane-facing planes 9 the base body 3, 5 isolated.
  • an outer trench 37 is provided in each membrane-facing plane 7, which adjoins the clamping point of the membrane 1.
  • the outer trenches 37 surround the inner trenches 33 in a ring shape. However, they do not need to lead to the insulation layer 11. If the outer trenches 37 only serve to transfer mechanical loads away from the connection between the membrane 1 and the base bodies 3, 5 into the base body 3, 5, these trenches 37 can have a smaller depth, as shown in FIG. 3.
  • a differential pressure sensor according to the invention is preferably produced by producing the base bodies 3, 5 from silicone-on-insulator wafers.
  • the trenches 14, 33, 37 are then produced by means of etching processes and the membrane beds are produced by means of a dry etching process, e.g. produced by reactive ion etching, preferably with SF ⁇ .
  • the membrane 1 is connected to the first and second base bodies 3, 5 in each case by a bonding process.
  • the membrane 1 and the base bodies 3, 5 are preferably made of silicon and are preferably connected by means of wafer bonds.

Abstract

The invention relates to a long-term stable, high-precision differential pressure sensor, comprising a pressure-sensitive, electrically conductive membrane (1) which is arranged between a first and a second base body (3, 5). During operation, a first pressure (p1), which is guided through a hole (13) in the first base body (3), acts upon the first side of the membrane. During operation, a second pressure (p2), which is guided through a hole (13) in the second base body (5), acts upon the second side of the membrane. The first and the second base body (3, 5) respectively comprise an electrically conductive plane (7, 9) orientated towards the membrane and away from the membrane, said bodies being separated from each other by an insulation layer (11). On the plane (7) orientated towards the membrane, at least one trench (14, 16, 33) extends towards the insulation layer (11). The trench electrically insulates an inner part of respective plane (7) which is orientated towards the membrane (1) and which is arranged at a distance therefrom, acting as an electrode (17, 35), in relation to an outer part (15) of the plane (7), which is orientated towards the membrane, and in relation to the membrane (1) which is connected thereto. The electrodes (17, 35) are electrically insulated with respect to the plane (9) which is orientated away from the membrane of the associated base body (3, 5). Each electrode (17, 35) forms a capacitor along with the membrane (1), the capacity acting as a measure for an active differential pressure value.

Description

Differenzdrucksensor Differential Pressure Sensor
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Zweikammer-Differenzdrucksensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a capacitive two-chamber differential pressure sensor and a method for its production.
In der Druckmeßtechnik werden häufig, z.B. bei Anwendungen in der verarbeitenden Industrie, Differenzdruckmessungen durchgeführt. Bei der Differenzdruckmessung wird eine Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten an einem Differenzdruckmeßgerät anliegenden Druck erfaßt. Kernstück eines solchen Differenzdruckmeßgeräts ist ein üblicherweise in ein Gehäuse eingebauter Differenzdrucksensor, dem die Drücke zugeführt werden, und der dazu dient einen einwirkenden Differenzdruck in eine diesem entsprechende elektrische Größe umzuwandeln.In pressure measurement technology, e.g. for applications in the manufacturing industry, differential pressure measurements carried out. In the differential pressure measurement, a difference between a first and a second pressure applied to a differential pressure measuring device is detected. The centerpiece of such a differential pressure measuring device is a differential pressure sensor which is usually built into a housing and to which the pressures are supplied and which serves to convert an acting differential pressure into an electrical quantity corresponding to it.
In der DE-C 38 27 138 ist ein Differenzdrucksensor beschrieben mit - einer zwischen einem ersten und einem zweiten Grundkörper angeordneten druckempfindlichen elektrisch leitfähigen Membran, - auf deren erste Seite im Betrieb ein durch eineDE-C 38 27 138 describes a differential pressure sensor with - a pressure-sensitive, electrically conductive membrane arranged between a first and a second base body, - on the first side of which is in operation by a
Bohrung im ersten Grundkörper hindurch zugeführter erster Druck einwirkt undBore in the first base body acts through first pressure and
- auf deren zweite Seite im Betrieb ein durch eine Bohrung im zweiten Grundkörper hindurch zugeführter zweiter Druck einwirkt,- On the second side, in operation, a second pressure acts through a bore in the second base body,
- bei dem der erste und der zweite Grundkörper jeweils eine membran-zugewandte und eine membran-abgewandte elektrisch leitfähige Ebene aufweisen,in which the first and the second base body each have a membrane-facing and a membrane-facing electrically conductive plane,
-- die durch eine Isolationsschicht voneinander getrennt sind,- which are separated from each other by an insulation layer,
- bei dem in den membran-zugewandten Ebenen mindestens ein bis zur Isolationsschicht führender Graben vorgesehen ist,in which at least one trench leading to the insulation layer is provided in the layers facing the membrane,
- der einen als Elektrode dienenden innenliegenden von der Membran beabstandeten Teil der jeweiligen membran-zugewandten Ebene elektrisch von einem äußeren Teil der membran-zugewandten Ebene und der damit verbundenen Membran isoliert,- The one serving as an electrode inner part of the respective membrane-facing plane spaced apart from the membrane electrically from an outer part of the membrane-facing plane and the membrane connected to it,
- bei dem jede Elektrode zusammen mit der Membran jeweils einen Kondensator bildet, und- in which each electrode forms a capacitor together with the membrane, and
- bei dem die Kapazitäten der Kondesatoren ein Maß für einen einwirkenden Differenzdruck sind.- where the capacitors are a measure of the differential pressure.
Die Membran und die Ebenen der Grundkörper bestehen aus Silizium und die Isolationsschicht besteht aus Cordierit. Die Membran ist über an deren äußeren Rändern angeordnete elektrisch isolierende Glasverbindungsglieder mit den jeweiligen äußeren Rändern der Grundkörper verbunden und die Bohrungen sind mit einem Leitfilm überzogen, über den die Elektroden elektrisch leitend mit der zugeordneten membran-abgewandten Ebene des jeweiligen Grundkörpers verbunden sind.The membrane and the levels of the base body are made of silicon and the insulation layer is made of cordierite. The membrane is connected to the respective outer edges of the base body via electrically insulating glass connecting members arranged on its outer edges, and the bores are covered with a conductive film, via which the electrodes are connected in an electrically conductive manner to the associated plane of the respective base body facing away from the membrane.
Die Glasverbindungsglieder bilden Abstandsmittel zwischen der Membran und den Grundkörpern. Sie bestehen nicht aus Silizium und haben daher einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Silizium. Auch hat Glas andere elastische Eigenschaften als Silizium. Die Verwendung dieser Abstandsmittel kann daher bei Änderungen der Umgebungstemperatur zu temperaturabhängigen Meßfehlern, sowie zum Auftreten von Hysteresen oder Kriechen führen. Glas und Silizium weisen unterschiedliche Elastizitätsmodule auf. Dies wirkt sich auf die Empfindlichkeit des Differenzdrucksensors aus und bewirkt einen von einem auf den Differenzdrucksensor einwirkenden statischen Druck abhängigen Meßfehler.The glass connecting links form spacers between the membrane and the base bodies. They are not made of silicon and therefore have a different coefficient of thermal expansion than silicon. Glass also has different elastic properties than silicon. The use of these spacers can therefore lead to temperature-dependent measurement errors as well as hysteresis or creep when the ambient temperature changes. Glass and silicon have different moduli of elasticity. This affects the sensitivity of the differential pressure sensor and causes a measurement error that is dependent on a static pressure acting on the differential pressure sensor.
Die Kapazitäten zwischen der Membran und den ihr gegenüberliegenden Elektroden werden an der Membran und an der jeweiligen membran- abgewandten Ebene der Grundkörper abgegriffen, die über den Leitfilm an die Elektrode angeschlossen ist.The capacitances between the membrane and the electrodes lying opposite it are tapped at the membrane and at the plane of the base body facing away from the membrane, which is connected to the electrode via the conductive film.
Dabei besteht die Gefahr, daß sich sogenannte Streukapazitäten den zu messenden Kapazitäten überlagern. Streukapazitäten bestehen z.B. zwischen den membran-abgewandten Ebenen der Grundkörper und deren Umgebung. Die Umgebung wird in der Regel ein Gehäuse sein, in das der Drucksensor eingefaßt ist. Diese Streukapazitäten hängen somit vom Einbau derThere is a risk that so-called stray capacities overlap the capacities to be measured. Stray capacities exist e.g. between the membrane-facing planes of the base body and its surroundings. The environment will usually be a housing in which the pressure sensor is enclosed. These stray capacities depend on the installation of the
Druckmeßzelle ab und können sich daher, z.B. durch temperaturbedingte unterschiedliche Ausdehnungen einzelner Bauteile, ändern. Hierdurch bedingte veränderliche Meßfehler lassen sich auch durch eine Kalibration des Drucksensors und eine entsprechende Signalverarbeitung nicht ausblenden.Pressure measuring cell and can therefore change, for example due to temperature-related different expansions of individual components. As a result Changing measurement errors cannot be masked out by calibration of the pressure sensor and appropriate signal processing.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen hochgenauen langzeitstabilen Differenzdrucksensor anzugeben.It is an object of the invention to provide a high-precision, long-term stable differential pressure sensor.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Differenzdrucksensor mit - einer zwischen einem ersten und einem zweiten Grundkörper angeordneten druckempfindlichen elektrisch leitfähigen Membran,To this end, the invention consists in a differential pressure sensor with - a pressure-sensitive, electrically conductive membrane arranged between a first and a second base body,
- auf deren erste Seite im Betrieb ein durch eine Bohrung im ersten Grundkörper hindurch zugeführter erster Druck einwirkt und- On the first side in operation, a first pressure supplied through a bore in the first base body acts and
- auf deren zweite Seite im Betrieb ein durch eine Bohrung im zweiten Grundkörper hindurch zugeführter zweiter Druck einwirkt,- On the second side, in operation, a second pressure acts through a bore in the second base body,
- bei dem der erste und der zweite Grundkörper jeweils eine membran-zugewandte und eine membran-abgewandte elektrisch leitfähige Ebene aufweisen, - die durch eine Isolationsschicht voneinander getrennt sind,in which the first and the second base body each have a membrane-facing and a membrane-facing electrically conductive plane, which are separated from one another by an insulation layer,
- bei dem in den membran-zugewandten Ebenen mindestens ein bis zur Isolationsschicht führender Graben vorgesehen ist, - der einen als Elektrode dienenden innenliegenden von der Membran beabstandeten Teil der jeweiligen membran-zugewandten Ebene elektrisch von einem äußeren Teil der membran-zugewandten Ebene und der damit verbundenen Membran isoliert, - bei dem die Elektroden gegenüber den membran- abgewandten Ebenen des zugehörigen Grundkörpers elektrisch isoliert sind, und- In which at least one trench leading to the insulation layer is provided in the membrane-facing planes, - the inner part of the respective membrane-facing plane serving as an electrode and spaced apart from the membrane is electrically connected to an outer part of the membrane-facing plane and thus connected membrane isolated, - in which the electrodes are electrically isolated from the membrane-facing planes of the associated base body, and
- bei dem jede Elektrode zusammen mit der Membran jeweils einen Kondensator bildet, dessen Kapazität ein Maß für einen einwirkenden Differenzdruck ist. Gemäß einer Weiterbildung liegen die Membran, die daran angrenzenden äußeren Teile der membran-zugewandten Ebenen und die membran- abgewandten Ebenen elektrisch auf gleichem Potential.- In which each electrode forms a capacitor together with the membrane, the capacitance of which is a measure of an acting differential pressure. According to a further development, the membrane, the adjacent outer parts of the membrane-facing layers and the membrane-facing layers are electrically at the same potential.
Gemäß einer Weiterbildung ist jede Elektrode jeweils durch die membran- abgewandte Ebene und die Isolationsschicht des jeweiligen Grundkörpers hindurch gegenüber der membran-abgewandten Ebene isoliert kontaktiert.According to a further development, each electrode is contacted in isolation from the plane facing away from the membrane and the insulation layer of the respective base body with respect to the plane facing away from the membrane.
Gemäß einer Weiterbildung grenzen die Gräben unmittelbar an eine Einspannstelle der Membran an.According to a further development, the trenches directly adjoin a clamping point of the membrane.
Gemäß einer Weiterbildung verläuft eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Membran, der membran-abgewandten Ebene und der membran- zugewandten Ebene auf einer äußeren Mantelfläche des Differenzdrucksensors.According to a further development, an electrically conductive connection runs between the membrane, the plane facing away from the membrane and the plane facing towards the membrane on an outer lateral surface of the differential pressure sensor.
Gemäß einer Weiterbildung weist der bis zur Isolationsschicht führende Graben in der membran-zugewandten Ebene des ersten Grundkörpers einen größeren Außendurchmesser auf als der bis zur Isolationsschicht führende Graben in der membran-zugewandten Ebene des zweiten Grundkörpers.According to a further development, the trench leading to the insulation layer in the plane of the first base body facing the membrane has a larger outer diameter than the trench leading to the insulation layer in the plane of the second base body facing the membrane.
Gemäß einer anderen Weiterbildung ist in den membran-zugewandten Ebenen mindestens ein bis zur Isolationsschicht führender innerer Graben vorgesehen, der einen als Elektrode dienenden innenliegenden Teil der jeweiligen Ebene elektrisch von der Membran isoliert und ein äußerer Graben vorgesehen, der an eine Einspannstelle der Membran angrenzt.According to another development, at least one inner trench leading to the insulation layer is provided in the membrane-facing levels, which electrically isolates an inner part of the respective level serving as an electrode from the membrane and an outer trench is provided which adjoins a clamping point of the membrane.
Gemäß einer Ausgestaltung bestehen die membran-zugewandten und die membran-abgewandten Ebenen der Grundkörper aus Silizium und die Isolationsschicht besteht aus Siliziumdioxid.According to one embodiment, the membrane-facing and the membrane-facing levels of the base body are made of silicon and the insulation layer is made of silicon dioxide.
Gemäß einer Ausgestaltung bilden die membran-zugewandten Ebenen ein Membranbett, das mindestens einen Auflagering aufweist, auf dem die Membran zur Auflage kommt, wenn auf sie ein einen vorgegebenen Meßbereich überschreitender Differenzdruck einwirkt. Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Auflageringe Abstände von einer Ruhelage der Membran auf, die einer Biegelinie der Membran entsprechen.According to one embodiment, the membrane-facing levels form a membrane bed which has at least one support ring on which the membrane comes to rest when it is acted on by a differential pressure which exceeds a predetermined measuring range. According to one embodiment, the support rings are at a distance from a rest position of the membrane, which correspond to a bending line of the membrane.
Gemäß einer Weiterbildung weisen die Auflageringe Schlitze auf, durch die daran angrenzende Hohlräume miteinander in Verbindung stehen.According to a development, the support rings have slots through which adjacent cavities are connected to one another.
Gemäß einer Weiterbildung weist das Membranbett eine rauhe Oberfläche auf.According to a further development, the membrane bed has a rough surface.
Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors, bei dem die Grundkörper aus Silicon-On-Insulator-Wafem hergestellt sind.Furthermore, the invention consists in a method for producing a differential pressure sensor according to the invention, in which the base bodies are made of silicone-on-insulator wafers.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens bestehen die Membran und der erste und der zweite Grundkörper aus Silizium und sind mittels Waferbonden miteinander verbunden.According to a further embodiment of the method, the membrane and the first and second base bodies are made of silicon and are connected to one another by means of wafer bonds.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Gräben mittels Ätzprozessen hergestellt und das Membranbett ist mittels eines Trockenätzprozesses, insb. mit SF6, hergestellt ist.According to a further embodiment, the trenches are produced by means of etching processes and the membrane bed is produced by means of a dry etching process, in particular using SF 6 .
Ein Vorteil eines erfindungsgemäßen Drucksensors besteht darin, daß die Membran und die Elektroden durch die Isolationsschicht und die membran- abgewandten Ebenen der Grundkörper nach außen abgeschirmt sind. Eine Einkopplung von Störsignalen ist damit im Bereich des Drucksensors praktisch ausgeschlossen. Streukapazitäten, die z.B. zwischen den membran- abgewandten Ebenen der Grundkörper des Drucksensors nach außen bestehen, haben keinen Einfluß auf die zu messenden Kapazitäten. Entsprechend ist eine auf lange Zeit stabile hochgenaue Messung möglich, die nahezu unabhängig von der Einbauweise des Drucksensors ist.An advantage of a pressure sensor according to the invention is that the membrane and the electrodes are shielded from the outside by the insulation layer and the planes of the base body facing away from the membrane. A coupling of interference signals is practically impossible in the area of the pressure sensor. Stray capacities, e.g. between the levels of the base body of the pressure sensor facing away from the membrane have no influence on the capacitances to be measured. Accordingly, a highly accurate measurement that is stable over a long period of time is possible, which is almost independent of the way in which the pressure sensor is installed.
Die Membran ist unmittelbar mit den Grundkörpern verbunden. Eine zusätzliche Isolation zwischen der Membran und den Grundkörpern ist nicht erforderlich.The membrane is directly connected to the body. Additional insulation between the membrane and the base bodies is not required.
Abstandsmittel, wie sie eingangs in Verbindung mit dem Stand der Technik beschrieben worden, werden bei erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren vermieden. Dies wirkt sich positiv auf die Meßgenauigkeit und auf die Langzeitstabilität der Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren auf. Insb. werden durch unterschiedliche Elastizitätsmodule bedingte von einem auf den Differenzdurcksensor einwirkenden statischen Druck abhängige Meßfehler vermieden.Spacers as described at the outset in connection with the prior art are avoided in differential pressure sensors according to the invention. This has a positive effect on the measuring accuracy and on the long-term stability of the measuring accuracy of the invention Differential pressure sensors. Esp. Measurement errors dependent on a static pressure acting on the differential pressure sensor are avoided by different elasticity modules.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The invention and further advantages will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing, in which two exemplary embodiments are shown. Identical elements are provided with the same reference symbols in the figures.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor;Fig. 1 shows a section through a differential pressure sensor according to the invention;
Fig. 2 zeigt eine Ansicht einer Elektrode des in Fig.1 dargestellten Differenzdrucksensors; undFIG. 2 shows a view of an electrode of the differential pressure sensor shown in FIG. 1; and
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßenFig. 3 shows a section through an inventive
Differenzdrucksensor, bei dem einer der Gräben einen größeren Außendurchmesser aufweist;Differential pressure sensor in which one of the trenches has a larger outer diameter;
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßenFig. 4 shows a section through an inventive
Differenzdrucksensor mit einem inneren und einem äußeren Graben.Differential pressure sensor with an inner and an outer trench.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors dargestellt.1 shows a section through a first exemplary embodiment of a differential pressure sensor according to the invention.
Der Differenzdrucksensor weist eine druckempfindliche elektrisch leitfähige Membran 1 auf. Die Membran 1 besteht vorzugsweise aus einem Halbleiter, z.B. aus Silizium, und ist zwischen einem ersten und einem zweiten Grundkörper 3, 5 angeordnet.The differential pressure sensor has a pressure-sensitive, electrically conductive membrane 1. The membrane 1 is preferably made of a semiconductor, e.g. made of silicon, and is arranged between a first and a second base body 3, 5.
Die Grundkörper 3, 5 weisen eine membran-zugewandte und eine membran- abgewandte elektrisch leitfähige Ebene 7, 9 auf, die durch eine Isolationsschicht 11 voneinander getrennt sind. Die Ebenen 7, 9 bestehen vorzugsweise aus einem Halbleiter, z.B. aus Silizium, und die Isolationsschicht 11 besteht vorzugsweise aus Sililziumdioxid. Auf einer ersten Seite der Membran 1 wirkt im Betrieb ein durch eine Bohrung 13 im ersten Grundkörper 3 hindurch zugeführter erster Druck p1 ein. Auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Membran 1 wirkt im Betrieb ein durch eine Bohrung 13 im zweiten Grundkörper 5 hindurch zugeführter zweiter Druck p2 ein. Die druckempfindliche Membran 1 erfährt somit im Betrieb eine Auslenkung, die ein Maß für eine Differenz des ersten und des zweiten Drucks p1 , p2 ist.The base bodies 3, 5 have a membrane-facing and a membrane-facing, electrically conductive plane 7, 9, which are separated from one another by an insulation layer 11. The levels 7, 9 preferably consist of a semiconductor, for example of silicon, and the insulation layer 11 preferably consists of silicon dioxide. During operation, a first pressure p1 supplied through a bore 13 in the first base body 3 acts on a first side of the membrane 1. During operation, a second pressure p2 supplied through a bore 13 in the second base body 5 acts on a second side of the membrane 1 opposite the first side. The pressure-sensitive membrane 1 thus experiences a deflection during operation, which is a measure of a difference between the first and the second pressure p1, p2.
In den membran-zugewandten Ebenen 7 des ersten und des zweiten Grundkörpers 3, 5 ist jeweils mindestens ein bis zur Isolationsschicht 11 führender ringförmig umlaufender Graben 14 vorgesehen. Diese werden vorzugsweise in einem Ätzprozeß hergestellt. Die Gräben 14 teilen die membran-zugewandten Ebenen 7 jeweils in einen innenliegenden Teil und einen äußeren Teil 15. Der innenliegende Teil ist von der Membran 1 beabstandet und dient als Elektrode 17. Der äußere Teil 15 ist unmittelbar mit einem äußeren Rand der jeweils zugewandten Seite der Membran 1 verbunden. Diese Verbindung wird vorzugsweise durch einen Bondprozeß, z.B. durch Waferbonden hergestellt. Beispielsweise kann Silizium-Silizium- Fusionsbonden oder ein eutektisches Verfahren, z.B. unter Verwendung von Gold, eingesetzt werden.In the membrane-facing levels 7 of the first and the second base body 3, 5 at least one annular trench 14 leading to the insulation layer 11 is provided in each case. These are preferably produced in an etching process. The trenches 14 divide the membrane-facing planes 7 into an inner part and an outer part 15. The inner part is spaced apart from the membrane 1 and serves as an electrode 17. The outer part 15 is directly with an outer edge of the side facing each the membrane 1 connected. This connection is preferably made by a bonding process, e.g. made by wafer bonding. For example, silicon-silicon fusion bonding or a eutectic process, e.g. using gold.
Durch die Gräben 14 sind die Elektroden 17 gegenüber den äußeren Teilen 15 der membran-zugewandten Ebenen 7 und der damit verbundenen Membran 1 isoliert. Zusätzlich sind die Elektroden 17 durch die Isolationsschichten 11 gegenüber den membran-abgewandten Ebenen 9 der zugehörigen Grundkörper 3, 5 elektrisch isoliert.The trenches 14 isolate the electrodes 17 from the outer parts 15 of the membrane-facing layers 7 and the membrane 1 connected to them. In addition, the electrodes 17 are electrically insulated from the layers 9 of the associated base bodies 3, 5 facing away from the membrane by the insulation layers 11.
Jede Elektrode 17 bildet zusammen mit der Membran 1 jeweils einen Kondensator. Die Kapazitäten dieser baugleichen Kondensatoren hängen von einem Abstand zwischen der Membran 1 und der jeweiligen Elektrode 17 ab.Each electrode 17 forms a capacitor together with the membrane 1. The capacities of these identical capacitors depend on a distance between the membrane 1 and the respective electrode 17.
Sie sind daher abhängig von der vom Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der Membran 1 und somit ein Maß für einen einwirkenden Differenzdruck. DieThey are therefore dependent on the deflection of the membrane 1 which is dependent on the differential pressure and are therefore a measure of an acting differential pressure. The
Kapazitäten werden mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten Kapazitätsmeßschaltung erfaßt und einer weiteren Auswertung und/oderCapacities are detected with a capacitance measuring circuit not shown in FIG. 1 and a further evaluation and / or
Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Es wird z.B. eine Signalaufbereitung und -Processing provided. For example a signal processing and -
Verarbeitung, z.B. eine Filterung, Verstärkung oder Fehlerkompensation, vorgenommen und ein differenzdruck-abhängiges Signal erzeugt, das dann einer weiteren Verarbeitung und/oder Anzeige zur Verfügung steht.Processing, e.g. filtering, amplification or error compensation, made and a differential pressure-dependent signal generated, which is then available for further processing and / or display.
Eine Kontaktierung der Elektroden 17 erfolgt jeweils durch eine Bohrung 19, die jeweils durch die membran-abgewandte Ebene 9 des Grundkörpers und die Isolationsschicht 11 hindurch zur Elektrode 17 führt. Die Kontaktierung erfolgt elektrisch isoliert gegenüber den membran-abgewandten Ebenen 9 der Grundköper 3, 5. Hierzu ist auf den membran-abgewandten Ebenen 9 im Bereich der Kontaktierung eine Isolationsschicht 21 aufgebracht, auf der eine Leiterbahn 23 zur jeweiligen Elektrode 17 führt.The electrodes 17 are each contacted through a bore 19 which leads through the plane 9 of the base body facing away from the membrane and the insulation layer 11 to the electrode 17. The contact is made in an electrically insulated manner from the planes 9 of the basic bodies 3, 5 facing away from the membrane. For this purpose, an insulation layer 21 is applied to the planes 9 facing away from the membrane, on which a conductor track 23 leads to the respective electrode 17.
Vorzugsweise liegen die Membran 1 , die daran angrenzenden äußeren Teile 15 der membran-zugewandten Eb.enen 7 und die membran-abgewandten Ebenen 9 elektrisch auf gleichem Potential.The membrane 1, the adjacent outer parts 15 of the membrane-facing layers 7 and the membrane-facing layers 9 are preferably electrically at the same potential.
Dies kann, wie in Fig. 1 dargestellt, passiv erfolgen, indem eine elektrisch leitfähige Verbindung 25 zwischen der Membran 1 und der membran- abgewandten und der membran-zugewandten Ebene 7, 9 auf einer äußeren Mantelfläche des Differenzdrucksensors verläuft. Hierdurch ist die Membran 1 mit den daran angrenzenden äußeren Teile 15 der membran-zugewandten Ebenen 7 und den membran-abgewandten Ebenen 9 elektrisch leitend verbunden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies durch eine auf einer äußeren Mantelfläche des Drucksensors aufgebrachte elektrisch leitende Beschichtung, z.B. aus Aluminium oder aus Silizium, realisiert, die an der Membran 1 , an den äußeren Teilen 15 und den membran-abgewandten Ebenen 9 anliegt. Die Verbindung 25 ist vorzugsweise geerdet.As shown in FIG. 1, this can be done passively by an electrically conductive connection 25 running between the membrane 1 and the membrane-facing and membrane-facing layers 7, 9 on an outer lateral surface of the differential pressure sensor. As a result, the membrane 1 is electrically conductively connected to the adjacent outer parts 15 of the membrane-facing levels 7 and the membrane-facing levels 9. In the exemplary embodiment shown, this is achieved by an electrically conductive coating applied to an outer lateral surface of the pressure sensor, e.g. Made of aluminum or silicon, which rests on the membrane 1, on the outer parts 15 and the layers 9 facing away from the membrane. Connection 25 is preferably grounded.
Alternativ können die genannten Bauteile aktiv auf gleichem Potential gehalten werden, indem jedes Bauteil an eine elektrische Schaltung angeschlossen wird, die die Bauteile alle auf dem gleichen Potential hält. Vorzugsweise ist dieses Potential Masse oder ein Bezugspotential, einer an den Drucksensor angeschlossenen Schaltung, z.B. einer Signalverarbeitungsschaltung.Alternatively, the components mentioned can be actively kept at the same potential by connecting each component to an electrical circuit which keeps the components all at the same potential. This potential is preferably ground or a reference potential of a circuit connected to the pressure sensor, e.g. a signal processing circuit.
Die membran-zugewandten Ebenen 7 der Grundkörper 3, 5 bilden ein Membranbett. Das Membranbett hat die Aufgabe, die Membran 1 vor einer Zerstörung oder einer irreversiblen Verformung zu schützen, falls ein einen vorgegebenen Meßbereich überschreitender Differenzdruck auf sie einwirkt. Vorzugsweise weisen die Membranbetten mindestens einen Auflagering 27 auf, auf dem die Membran 1 zur Auflage kommt, wenn auf sie ein den vorgegebenen Meßbereich überschreitender Differenzdruck einwirkt. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind hierzu auf jeder Elektrode 17 drei Auflageringe 27 vorgesehen. Die Auflageringe 27 weisen Abstände von einer Ruhelage der Membran 1 auf, die einer Biegelinie der Membran 1 unter Druckbelastung entsprechen. Die Membran 1 kann sich also im Falle einer Überbelastung an das Membranbett anschmiegen und erfährt dabei eine Abstützung, die sie vor einer eventuelllen Beschädigung bewahrt.The membrane-facing levels 7 of the base body 3, 5 form a membrane bed. The membrane bed has the task of protecting the membrane 1 from destruction or irreversible deformation if it is acted upon by a differential pressure exceeding a predetermined measuring range. The membrane beds preferably have at least one support ring 27 on which the membrane 1 comes to rest when it is acted upon by a differential pressure that exceeds the predetermined measuring range. In the embodiment shown in FIG. 1, three support rings 27 are provided on each electrode 17 for this purpose. The support rings 27 are at a distance from a rest position of the membrane 1, which correspond to a bending line of the membrane 1 under pressure. In the event of an overload, the membrane 1 can nestle against the membrane bed and is thereby supported, which protects it from possible damage.
Das Membranbett weist vorzugsweise eine rauhe Oberfläche auf. Dadurch wird erreicht, daß sich die Membran 1 nach einem Anschmiegen an das Membranbett leicht wieder von dem Membranbett lösen und ihre Normalposition einnehmen kann. Hierzu wird das Membranbett vorzugsweise mittels eines Trockenätzprozesses, z.B. mittels reaktivem lonenätzen, ausgeformt.The membrane bed preferably has a rough surface. It is thereby achieved that the membrane 1 can easily detach from the membrane bed again after it clings to the membrane bed and can assume its normal position. For this purpose, the membrane bed is preferably made using a dry etching process, e.g. formed by means of reactive ion etching.
Der Differenzdrucksensor ist im Betrieb in ein, in Fig.1 nicht dargestelltes, Gehäuse eingebaut und die Drücke p1 und p2 werden vorzugsweise über mit einer Flüssigkeit gefüllte Druckmittler auf den Differenzdrucksensor übertragen.During operation, the differential pressure sensor is installed in a housing (not shown in FIG. 1) and the pressures p1 and p2 are preferably transmitted to the differential pressure sensor via diaphragm seals filled with a liquid.
Die Flüssigkeit ist möglichst inkompressibel. Es eignet sich z.B. ein Silikonöl.The liquid is as incompressible as possible. It is suitable e.g. a silicone oil.
Die Druckmittler sind unmittelbar an die Bohrungen 13 in den Grundkörpern anzuschließen. Die Bohrungen 13 und daran angrenzende durch die Membran 1 und die daran angrenzenden Grundkörper 3, 5 gebildete Hohlräume 29 sind ebenfalls mit dieser Flüssigkeit zu füllen, damit durch die Flüssigkeit eineThe diaphragm seals are to be connected directly to the bores 13 in the base bodies. The bores 13 and adjacent cavities 29 formed by the membrane 1 and the adjacent base bodies 3, 5 are also to be filled with this liquid, so that a through the liquid
Druckübertragung auf die Membran 1 erfolgt.Pressure is transferred to the membrane 1.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht einer der Elektroden 17. Die Auflageringe 27 weisen vorzugsweise Schlitze 31 auf, durch die die angrenzende Hohlräume 29 und die Gräben 14 miteinander in Verbindung stehen. Durch die Schlitze 31 wird ein blasenfreies Befüllen der Hohlräume 29 und der Gräben 14 mit der Flüssigkeit erleichtert.2 shows a view of one of the electrodes 17. The support rings 27 preferably have slots 31 through which the adjacent cavities 29 and the trenches 14 are connected to one another. The slits 31 facilitate bubble-free filling of the cavities 29 and the trenches 14 with the liquid.
Bei dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel grenzen die Gräben 14 unmittelbar an eine Einspannstelle der Membran 1 an. Die Einspannstellen befinden sich am äußeren Rand der Membran 1 , wo die Membran 1 mit den äußeren Teilen 15 der Grundkörper 3, 5 verbunden ist. Diese Positionierung der Gräben 14 bietet den Vorteil, daß sich Zugbelastungen, die ohne Gräben 14 die Verbindung zwischen der Membran 1 und den äußeren Teilen 15 belasten würden, von der Verbindung weg ins Innere der Grundkörper 3, 5 hinein verlagern. Die Grundkörper 3, 5 sind sehr viel robuster gegenüber mechanischen Belastungen, insb. gegenüber Zugbelastungen, als die Verbindungen. Folglich führt dies zu einer verbesserten mechanischen Stabilität des Differenzdrucksensors.In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the trenches 14 directly adjoin a clamping point of the membrane 1. The clamping points are located on the outer edge of the membrane 1, where the membrane 1 with the outer parts 15 of the base body 3, 5 is connected. This positioning of the trenches 14 has the advantage that tensile loads, which would stress the connection between the membrane 1 and the outer parts 15 without trenches 14, shift away from the connection into the interior of the base bodies 3, 5. The basic bodies 3, 5 are much more robust with respect to mechanical loads, especially tensile loads, than the connections. As a result, this leads to improved mechanical stability of the differential pressure sensor.
Die Gräben 14 reduzieren ein Auftreten von mechanischenThe trenches 14 reduce the occurrence of mechanical
Spannungskonzentrationen, indem sie durch ihre Form eine weiträumige Verteilung der Spannungen bewirken. Hierdurch wird eine Berstfestigkeit des Differenzdrucksensors zusätzlich erhöht.Stress concentrations, because their shape causes a wide distribution of the stresses. This additionally increases the bursting strength of the differential pressure sensor.
Beides wirkt sich positiv auf dessen Überlastfestigkeit aus.Both have a positive effect on its overload resistance.
Der in Fig. 1 dargestellte Differenzdrucksensor ist symmetrisch zur Membran 1 aufgebaut. Die identischen Außendurchmesser der Gräben 14 bzw. die daran angrenzenden äußeren Teile 15 bestimmen sowohl auf der dem ersten Grundkörper 3 als auch auf der dem zweiten Grundkörper 5 zugewandten Seite der Membran 1 einen Kreis, entlang dem die Membran 1 eingespannt ist. Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann der Fall eintreten, daß die Gräben 14 nicht exakt einander gegenüberliegend angeordnet sind. Entsprechend kann es sein, daß die Kreise, die die Geometrie der Membraneinspannung vorgeben nicht völlig deckungsgleich sind. Die Einspannung wird dann jeweils durch das innere Kreissegment der beiden Kreise bestimmt. Dies ergibt eine nahezu kreisförmige Einspannung.The differential pressure sensor shown in Fig. 1 is constructed symmetrically to the membrane 1. The identical outer diameters of the trenches 14 and the outer parts 15 adjoining them determine a circle, both on the first base body 3 and on the side of the membrane 1 facing the second base body 5, along which the membrane 1 is clamped. Due to manufacturing tolerances, the case may arise that the trenches 14 are not arranged exactly opposite one another. Accordingly, it may be that the circles that specify the geometry of the membrane clamping are not completely congruent. The clamping is then determined by the inner circle segment of the two circles. This results in an almost circular clamping.
Eine völlig kreisförmige Membraneinspannung bietet den Vorteil, daß die Membran 1 unter Einwirkung eines Differenzdruckes eine derA completely circular membrane clamping offers the advantage that the membrane 1 is one of the under the action of a differential pressure
Rotationssymmetrie der kreisförmigen Einspannung entsprechende symmetrische Auslenkung erfährt.Rotational symmetry of the circular clamping undergoes corresponding symmetrical deflection.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor, bei dem auch bei auftretenden Fertigungstoleranzen noch eine exakt kreisförmige Einspannung der Membran 1 vorliegt. Dies wird erreicht, indem der bis zur Isolationsschicht 11 führende Graben 16 in der membran- zugewandten Ebene 7 des ersten Grundkörpers 3 einen größeren Außendurchmesser aufweist, als der bis zur Isolationsschicht 11 führende Graben 14 in der membran-zugewandten Ebene 7 des zweiten Grundkörpers 5. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß der Graben 16 zulasten des äußeren Teils 15 verbreitert ist. Das äußere Teil 15 des ersten Grundkörpers 3 weist einen geringeren Innendurchmesser auf als das äußere Teil 15 des zweiten Grundkörpers 5. Alle anderen Abmessungen können unverändert bleiben. Insb. sind die Elektroden 17 auch bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel identisch. Der Außendurchmesser des Grabens 16 ist vorzugsweise so dimensioniert, daß der durch den Außendurchmesser des Grabens 14 bestimmte Kreis der Membraneinspannung auch beim Auftreten von Fertigungstoleranzen innerhalb des durch den Außendurchmesser des Grabens 16 bestimmten Kreises liegt. Damit bestimmt der kleinere durch den Außendurchmesser des Grabens 14 vorgegebene Kreis die Geometrie der Membraneinspannung.3 shows a section through a differential pressure sensor according to the invention, in which there is still an exactly circular clamping of the membrane 1 even when manufacturing tolerances occur. This is achieved by the trench 16 leading to the insulation layer 11 in the Membrane-facing plane 7 of the first base body 3 has a larger outer diameter than the trench 14 leading to the insulation layer 11 in the membrane-facing plane 7 of the second base body 5. This is preferably achieved in that the trench 16 loads the outer part 15 is widened. The outer part 15 of the first base body 3 has a smaller inner diameter than the outer part 15 of the second base body 5. All other dimensions can remain unchanged. Esp. the electrodes 17 are also identical in the embodiment shown in FIG. 3. The outer diameter of the trench 16 is preferably dimensioned such that the circle of the membrane clamping determined by the outer diameter of the trench 14 also lies within the circle determined by the outer diameter of the trench 16 when manufacturing tolerances occur. The smaller circle predetermined by the outer diameter of the trench 14 thus determines the geometry of the membrane clamping.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors dargestellt. Aufgrund der großen Übereinstimmung zu dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden nachfolgend lediglich die bestehenden Unterschiede weiter erläutert.4 shows a further exemplary embodiment of a differential pressure sensor according to the invention. Because of the great agreement with the exemplary embodiment shown in FIG. 1, only the existing differences are explained further below.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in den membran- zugewandten Ebenen 7 der Grundkörper 3, 5 mindestens ein bis zur Isolationsschicht 11 führender innerer Graben 33 vorgesehen. Die inneren Gräben 33 isolieren einen als Elektrode 35 dienenden innenliegenden Teil der jeweiligen membran-zugewandten Ebene 7 elektrisch von der Membran 1. Die Elektroden 35 sind, genau wie die Elektroden 17 in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, gegenüber den membran-abgewandten Ebenen 9 der Grundkörper 3, 5 isoliert.In the exemplary embodiment shown in FIG. 4, the base body 3, 5 is provided in the membrane-facing planes 7, at least one inner trench 33 leading to the insulation layer 11. The inner trenches 33 electrically isolate an inner part of the respective membrane-facing plane 7 serving as the electrode 35 from the membrane 1. The electrodes 35, like the electrodes 17 in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, are opposite the membrane-facing planes 9 the base body 3, 5 isolated.
Zusätzlich ist in jeder membran-zugewandten Ebene 7 ein äußerer Graben 37 vorgesehen, der an die Einspannstelle der Membran 1 angrenzt. Die äußeren Gräben 37 umgeben die inneren Gräben 33 ringförmig. Sie brauchen jedoch nicht bis zur Isolationsschicht 11 zu führen. Wenn die äußeren Gräben 37 ausschlich dazu dienen, mechnische Belastungen von der Verbindung zwischen der Membran 1 und den Grundkörpern 3, 5 weg in die Grundkörper 3, 5 hinein zu führen, können diese Gräben 37, wie in Fig. 3 dargestellt, eine geringere Tiefe aufweisen.In addition, an outer trench 37 is provided in each membrane-facing plane 7, which adjoins the clamping point of the membrane 1. The outer trenches 37 surround the inner trenches 33 in a ring shape. However, they do not need to lead to the insulation layer 11. If the outer trenches 37 only serve to transfer mechanical loads away from the connection between the membrane 1 and the base bodies 3, 5 into the base body 3, 5, these trenches 37 can have a smaller depth, as shown in FIG. 3.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, mehrere Gräben vorzusehen, die bis zur Isolationsschicht 11 führen. Jeder zwischen zwei benachbarten bis zur Isolationsschicht 11 führenden Gräben befindliche Teil der jeweiligen membran- zugewandten Ebene 7 kann dann als Elektrode genutzt werden. Hierdurch ist es möglich mehrere Elektroden mit unterschiedlichen Radien und unterschiedlich großen Elektrodenoberflächen vorzusehen.However, there is also the possibility of providing a plurality of trenches which lead to the insulation layer 11. Each part of the respective membrane-facing plane 7 located between two adjacent trenches leading to the insulation layer 11 can then be used as an electrode. This makes it possible to provide several electrodes with different radii and differently sized electrode surfaces.
Hergestellt wird ein erfindungsgemäßer Differenzdrucksensor vorzugsweise, indem die Grundkörper 3, 5 aus Silicon-On-Insulator- Wafern hergestellt werden. Anschießend werden die Gräben 14, 33, 37 mittels Ätzprozessen hergestellt und die Membranbetten werden mittels eines Trockenätzprozesses, z.B. durch reaktives lonenätzen, vorzugsweise mit SFβ, hergestellt. In einem anschließenden Arbeitsgang wird die Membran 1 mit dem ersten und dem zweiten Grundkörper 3, 5 jeweils durch einen Bondprozeß verbunden. Die Membran 1 und die Grundkörper 3, 5 bestehen vorzugsweise aus Silizium und werden vorzugsweise mittels Waferbonden verbunden. A differential pressure sensor according to the invention is preferably produced by producing the base bodies 3, 5 from silicone-on-insulator wafers. The trenches 14, 33, 37 are then produced by means of etching processes and the membrane beds are produced by means of a dry etching process, e.g. produced by reactive ion etching, preferably with SFβ. In a subsequent operation, the membrane 1 is connected to the first and second base bodies 3, 5 in each case by a bonding process. The membrane 1 and the base bodies 3, 5 are preferably made of silicon and are preferably connected by means of wafer bonds.

Claims

Patentansprüche claims
1. Differenzdrucksensor mit1. Differential pressure sensor with
- einer zwischen einem ersten und einem zweiten Grundkörper (3, 5) angeordneten druckempfindlichen elektrisch leitfähigen Membran (1),- A pressure-sensitive, electrically conductive membrane (1) arranged between a first and a second base body (3, 5),
- auf deren erste Seite im Betrieb ein durch eine Bohrung (13) im ersten Grundkörper (3) hindurch zugeführter erster Druck (p1) einwirkt und -- auf deren zweite Seite im Betrieb ein durch eine- A first pressure (p1) supplied through a bore (13) in the first base body (3) acts on its first side during operation, and - through a bore on its second side during operation
Bohrung (13) im zweiten Grundkörper (5) hindurch zugeführter zweiter Druck (p2) einwirkt,Bore (13) in the second base body (5) acts through the second pressure (p2),
- bei dem der erste und der zweite Grundkörper (3, 5) jeweils eine membran-zugewandte und eine membran- abgewandte elektrisch leitfähige Ebene (7, 9) aufweisen,- in which the first and the second base body (3, 5) each have a membrane-facing and a membrane-facing electrically conductive plane (7, 9),
- die durch eine Isolationsschicht (11 ) voneinander getrennt sind,- which are separated from one another by an insulation layer (11),
- bei dem in den membran-zugewandten Ebenen (7) mindestens ein bis zur Isolationsschicht (1 1 ) führender Graben (14, 16, 33) vorgesehen ist, -- der einen als Elektrode (17, 35) dienenden innenliegenden von der Membran (1 ) beabstandeten Teil der jeweiligen membran-zugewandten Ebene (7) elektrisch von einem äußeren Teil (15) der membran- zugewandten Ebene (7) und der damit verbundenen Membran (1 ) isoliert,- in which at least one trench (14, 16, 33) leading to the insulation layer (11) is provided in the membrane-facing planes (7), - the one of the membrane ( 1) electrically isolated part of the respective membrane-facing plane (7) from an outer part (15) of the membrane-facing plane (7) and the membrane (1) connected to it,
- bei dem die Elektroden (17, 35) gegenüber den membran-abgewandten Ebenen (9) des zugehörigen Grundkörpers (3, 5) elektrisch isoliert sind, und- in which the electrodes (17, 35) are electrically insulated from the membrane-facing planes (9) of the associated base body (3, 5), and
- bei dem jede Elektrode (17, 35) zusammen mit der Membran (1 ) jeweils einen Kondensator bildet, dessen Kapazität ein Maß für einen einwirkenden Differenzdruck ist. - In which each electrode (17, 35) together with the membrane (1) each form a capacitor, the capacity of which is a measure of an acting differential pressure.
2. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem die Membran (1 ), die daran angrenzenden äußeren Teile (15) der membran-zugewandten Ebenen (7) und die membran-abgewandten Ebenen (9) elektrisch auf gleichem2. Differential pressure sensor according to claim 1, wherein the membrane (1), the adjacent outer parts (15) of the membrane-facing planes (7) and the membrane-facing planes (9) electrically on the same
Potential liegen.Potential.
3. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem jede Elektrode (17, 35) jeweils durch die membran- abgewandte Ebene (9) und die Isolationsschicht (11 ) des jeweiligen Grundkörpers (3, 5) hindurch gegenüber der membran-abgewandten Ebene (9) isoliert kontaktiert ist.3. Differential pressure sensor according to claim 1, wherein each electrode (17, 35) through the membrane-facing plane (9) and the insulation layer (11) of the respective base body (3, 5) with respect to the membrane-facing plane (9) is contacted in isolation.
4. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem die Gräben (14, 16) unmittelbar an eine4. Differential pressure sensor according to claim 1, wherein the trenches (14, 16) directly to one
Einspannstelle der Membran (1) angrenzen.Limit the clamping point of the membrane (1).
5. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem eine elektrisch leitfähige Verbindung (25) zwischen der Membran (1 ) und der membran-abgewandten und der membran-zugewandten Ebene (7, 9) auf einer äußeren Mantelfläche des Differenzdrucksensors verläuft.5. Differential pressure sensor according to claim 1, wherein an electrically conductive connection (25) between the membrane (1) and the membrane-facing and the membrane-facing plane (7, 9) extends on an outer surface of the differential pressure sensor.
6. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem der bis zur Isolationsschicht (11 ) führende Graben (16) in der membran- zugewandten Ebene (7) des ersten Grundkörpers (3) einen größeren Außendurchmesser aufweist, als der bis zur Isolationsschicht (11 ) führende Graben (14) in der membran-zugewandten Ebene (7) des zweiten Grundkörpers (5). 6. Differential pressure sensor according to claim 1, wherein the up to the insulation layer (11) leading trench (16) in the membrane-facing plane (7) of the first base body (3) has a larger outer diameter than that leading to the insulation layer (11) Trench (14) in the membrane-facing plane (7) of the second base body (5).
7. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem in den membran-zugewandten Ebenen (7) mindestens ein bis zur Isolationsschicht (1 1 ) führender innerer Graben (33) vorgesehen ist, der einen als Elektrode (35) dienenden innenliegenden Teil der jeweiligen Ebene (7) elektrisch von der Membran (1 ) isoliert und ein äußerer Graben (37) vorgesehen ist, der an eine Einspannstelle der Membran (1 ) angrenzt. 7. Differential pressure sensor according to claim 1, in which in the membrane-facing planes (7) at least one up to the insulation layer (1 1) leading inner trench (33) is provided, which serves as an electrode (35) internal part of the respective plane ( 7) electrically isolated from the membrane (1) and an outer trench (37) is provided which adjoins a clamping point of the membrane (1).
8. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem die membran-zugewandten und die membran-abgewandten Ebenen (7, 9) der Grundkörper (3, 5) aus Silizium bestehen.8. Differential pressure sensor according to claim 1, wherein the membrane-facing and the membrane-facing planes (7, 9) of the base body (3, 5) consist of silicon.
9. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem die Isolationsschicht (11 ) aus Siliziumdioxid besteht.9. Differential pressure sensor according to claim 1, wherein the insulation layer (11) consists of silicon dioxide.
10. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem die membran-zugewandten Ebenen (7) ein Membranbett bilden, das mindestens einen Auflagering (27) aufweist, auf dem die Membran (1 ) zur Auflage kommt, wenn auf sie ein einen vorgegebenen Meßbereich überschreitender Differenzdruck einwirkt.10. Differential pressure sensor according to claim 1, in which the membrane-facing planes (7) form a membrane bed which has at least one support ring (27) on which the membrane (1) comes to rest when on it a differential pressure exceeding a predetermined measuring range acts.
1 1. Differenzdrucksensor nach Anspruch 10, bei dem die Auflageringe (27) Abstände von einer Ruhelage der Membran (1 ) aufweisen, die einer Biegelinie der Membran (1 ) entsprechen.1 1. Differential pressure sensor according to claim 10, wherein the support rings (27) have distances from a rest position of the membrane (1), which correspond to a bending line of the membrane (1).
12. Differenzdrucksensor nach Anspruch 10, bei dem die Auflageringe (27) Schlitze (31 ) aufweisen, durch die daran angrenzende Hohlräume (29) miteinander in Verbindung stehen.12. Differential pressure sensor according to claim 10, wherein the support rings (27) have slots (31) through which adjoining cavities (29) are connected to one another.
13. Differenzdrucksensor nach Anspruch 10, bei dem das Membranbett eine rauhe Oberfläche aufweist.13. Differential pressure sensor according to claim 10, wherein the membrane bed has a rough surface.
14. Verfahren zur Herstellung eines Differenzdrucksensors gemäß einem der vorgangehenden Ansprüche, bei dem die Grundkörper (5, 7) aus Silicon-On-Insulator- Wafern hergestellt sind.14. A method for producing a differential pressure sensor according to one of the preceding claims, in which the base body (5, 7) are made of silicon-on-insulator wafers.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Membran (1 ) und der erste und der zweite Grundkörper (3, 5) aus Silizium bestehen und mittels Waferbonden miteinander verbunden sind.15. The method according to claim 14, wherein the membrane (1) and the first and the second Base body (3, 5) consist of silicon and are connected to each other by means of wafer bonds.
16. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Gräben (14, 16, 33, 37) mittels Ätzprozessen hergestellt sind.16. The method according to claim 14, wherein the trenches (14, 16, 33, 37) are produced by means of etching processes.
17. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das17. The method according to claim 14, wherein the
Membranbett mittels eines Trockenätzprozesses, insb. mit SF6, hergestellt ist. Membrane bed is manufactured using a dry etching process, especially with SF 6 .
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